Керамикалық субстраттардың материалдары мен сипаттамалары

Технологияның дамуы мен дамуымен жұмыс істеп тұрған ток, жұмыс температурасы және құрылғылардың жиілігі біртіндеп жоғарылап келеді. Құрылғылар мен тізбектердің тәуелділігін қанағаттандыру үшін чипті тасымалдаушылар үшін жоғары талаптар қойылды. Керамикалық субстраттар осы өрістерде өте жақсы термиялық қасиеттері, микротолқын қасиеттері, механикалық қасиеттері, механикалық қасиеттері және жоғары сенімділік.

Қазіргі уақытта керамикалық субстраттарда қолданылатын негізгі қыш материалдар: алюминий (AL2O3), алюминий нитриді (ALN), кремний нитриді (SI3N4), кремний карбиді (SIC) және бериллий оксиді (BEO).

Ма терлиал	Тазалық	термиялық өткізгіштік (В / км)	салыстырмалы электрлік тұрақты	тоқырау өріс қарқындылығы (кВ / мм ^ (- 1))	Қысқаша коммиссия NT S
Al2o3	99% 99%	29	9.7	10 10	10 Өнімділік, Көптеген кеңірек
қосымшалар	99%	150	8.9	15	Жоғары өнімділік, Бірақ жоғары
бағасы	99%	310	6.4	10	Оқыма, жоғары улы, лимиті
SI3N4	99	%	106	9.4	оңтайлы жалпы өнімділік
SIC	99%	270	40	0.7	Тек төмен жиілікті қосымшаларға арналған

Осы 5 жетілдірілген керамиканың қысқаша сипаттамаларын келесідей көрейік:

1. Алюминий (Al2o3)

Al2o3 біртекті поликристалдар 10 түрге жетуі мүмкін, ал негізгі кристалды түрлері: α-al2o3, β-al2o3, γ-al2O3, γ-al2O3 және ZTA AL2O3 және ZTA-Al2O3. Олардың ішінде α-al2o3 ең төменгі белсенділікке ие және төрт негізгі кристалды формалардың ішіндегі ең тұрақты, ал оның бірлігі жасушасы - бұл алтыбұрышты кристалды жүйеге жататын бұрышты ромбохедрон. α-Al2o3 құрылымы тығыз, корандұм құрылымы барлық температурада болуы мүмкін; Температура 1000 ~ 1600 ° C-қа жеткенде, басқа нұсқалар α-al2o3-ке ауысады.

1-сурет: AL2O3 Crystal микрострукциясы SEM астындағы

AL2O3 үлесінің жоғарылауымен және сәйкес әйнек фазалық үлестің төмендеуімен Аль2о3 керамиканың жылу өткізгіштігі тез көтеріліп, аль2о3 массасы 99% -ға жеткенде, оның жылу өткізгіштігі бұталық фракция болған кезде екі есеге артады 90%.

Аль2о3 үлес салмағын көбейту керамиканың жалпы өнімділігін жақсарта алады, сонымен бірге ол өндіріс шығындарының өсуіне әкелетін керамиканың температурасын арттырады.

2. Алюминий нитридi (ALN)

Aln - бұл Wurtzite құрылымы бар ⅲ-V тобының түрі. Оның қондырғы ұяшықтары - бұл алтыбұрышты кристалды жүйеге тиесілі және оның дәйексіз кристалды жүйесіне тиесілі және күшті коваленттік байланысы бар, сондықтан ол керемет механикалық қасиеттері мен жоғары иілудің беріктігі бар. Теориялық тұрғыдан, оның кристалды тығыздығы 3,2611г / см3, сондықтан ол жоғары жылу өткізгіштікке ие, сондықтан ол жоғары жылу өткізгіштігі бар, ал таза ALN-де бөлме температурасында 320 Вт / (Мақт) және ыстық өткізгіштің жылу өткізгіштігі бар Субстрат 150 Вт / (Мақт), бұл аль2о3-тен 5 еседен асады. Жылу кеңею коэффициенті - 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6 / ℃, ол SI, SIC және GAAS сияқты жартылай өткізгіш чип материалдарының жылу кеңею коэффициентімен жақсы сәйкес келеді.

2-сурет: алюминий нитридінің ұнтағы

Aln Ceramics Al2o3 керамикаға қарағанда жоғары жылу өткізгіштікке ие, бұл AL2O3 керамикасы, ол AL2O3 керамикасын жоғары қуатты электроника мен жоғары жылу өткізетін басқа құрылғыларда алмастырады және кең қолдану перспективалары бар. ALN керамика сонымен бірге вакуумдық электронды құрылғылардың энергияны жеткізу терезесі үшін артықшылықты материал ретінде қарастырылады.

3. Силикон нитридi (SI3N4)

Si3N4 - бұл үш кристалды құрылымы бар коваленттелген қосылыс: α-si3n4, β-si3n4, және γ-si3n4. Олардың ішінде α-si3n4 және β-si3n4 ең көп кездесетін кристалды формалар, ал оқалды құрылымы бар. Бір кристалды SI3N4 жылу өткізгіштігі 400 Вт / (Мақт). Алайда, оның жылу энергиясын берудің арқасында, катушкалар, мысалы, бос жұмыс орны және нақты торда орналасуы мүмкін, ал нақты торда орналасуы мүмкін, ал фононның шашырауына әкеледі, сондықтан нақты атыс керамикасының жылу өткізгіштігі шамамен 20 Вт / (Мақт) . Пропорцияны және унысу процесін оңтайландыру арқылы жылу өткізгіштік 106 Вт / (Мәрінде) жетті. SI3N4 жылу кеңею коэффициенті SI, SIC және GAAS материалдарымен жақсы сәйкес келеді, бұл SI3N4 материалдарымен жақсы сәйкес келеді, бұл SI3N4 керамикасы жоғары жылулық субстратқа арналған электронды құрылғыларға арналған керамикалық субстрат материалы.

3-сурет: кремний нитридінің ұнтағы

Қолданыстағы керамикалық субстраттардың ішінде SI3N4 керамикалық субстраттар өте жақсы қасиеттері бар ең жақсы керамикалық материалдар болып саналады, мысалы, жоғары қаттылық, жоғары механикалық, жоғары температуралы, жоғары деңгейлі тұрақтылық, төмен диэлектрлік тұрақты және диэлектрлік шығындар, тозуға төзімділік пен коррозияға төзімділік. Қазіргі уақытта ол IGBT модулін қаптамада және біртіндеп аль2о3 және Aln керамикалық субстраттарын ауыстырады.

4.Силикон карбид (SIC)

Бірыңғай кристалл Әйк үшінші буынды жартылай өткізгіш материал ретінде белгілі, ол үлкен диапазонды, жоғары деңгейдегі кернеудің, жоғары термиялық өткізгіштік пен жоғары электронды қанықтыру жылдамдығымен танымал.

Beo және B2O3-тің аз мөлшерін SIC-ке, содан кейін оның кедергісін арттыру үшін, содан кейін 1900-ден жоғары температурада қосу арқылы, содан кейін ыстық басу арқылы ыстық температурада қосу арқылы, сіз ыстықты басу арқылы, сіз SIC керамикасының 98% -дан астамын дайындай аласыз. СИК керамикасының жылу өткізгіштігі әр түрлі тазалығы бар, әр түрлі тазалықпен әр түрлі тазалықпен және қоспалармен жабдықталған, бөлме температурасында 100 ~ 490 Вт / (Мақт). Диэлектрлік тұрақты түрде SIC керамикасының тұрақты екендігі өте үлкен, ол тек төмен жиілікті қосымшаларға жарамды және жоғары жиілікті қосымшаларға сәйкес келмейді.

5. Бериллия (BEO)

Beo - бұл Wurtzite құрылымы және жасуша - бұл текше кристалды жүйесі. Оның жылу өткізгіштігі өте жоғары, Beo Ceramics 99% Beo Ceramics, бөлме температурасында, оның жылу өткізгіштігі (жылу өткізгіштік), оның жылу өткізгіштік (жылулық өткізгіштігі), шамамен 10 есе, шамамен 10 есе, шамамен 10 есе, сол тазалықтың термиялық өткізгіштігі бар. Жылуды өткізудің өте жоғары сыйымдылығы өте жоғары, бірақ сонымен қатар диэлектрлік тұрақты және диэлектрлік шығындар мен диэлектрлік шығындар мен жоғары округтік және механикалық қасиеттерге ие, Beo керамикасы жоғары жылулық өткізгіштікті қажет ететін жоғары қуатты құрылғылар мен тізбектерді қолдануда артықшылықты материал болып табылады.

5-сурет: бериллияның кристалды құрылымы

Жоғары жылу өткізгіштік және BEO жоғалтудың төмен сипаттамалары осы уақытқа дейін басқа керамикалық материалдармен теңдессіз, бірақ Beo өте айқын кемшіліктерге ие, ал оның ұнтағы өте улы.

Қазіргі уақытта Қытайда жиі қолданылатын керамика субстрат материалдары негізінен Al2o3, ALN және SI3N4 болып табылады. LTCC технологиясы жасаған керамикалық субстрат үш өлшемді құрылымдағы резисторлар, конденсаторлар және индукторлар сияқты пассивті компоненттерді біріктіре алады. Ең алдымен белсенді құрылғылар болып табылатын жартылай өткізгіштердің интеграциялануымен салыстырғанда, LTCC жоғары тығыздығы 3D интерконнект сымдары бар.